阅读说明：本技术 机械臂 (Mechanical arm ) 是由 詹姆斯·B·克拉森 克里斯多夫·斯特拉 于 2018-03-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种机械臂以及控制机械臂的方法。在一个示例中,手控制件位于机械臂上并且提供对致动器的平移和/或旋转控制,所述致动器可例如一致地旋转。在另一个示例中,机械臂上的手控制件还设置在端部执行器处,所述手控制件可例如以使致动器一起或相反地一致旋转的方式控制机械臂中的致动器。在另一个示例中,位于致动器之间的机械臂上的手控制件以不同控制策略控制上游和下游致动器。在主从机器人示例中,主机器人中的致动器控制从机器人中的致动器,并且致动器可以一定角度设置并且被布置成在无动力时保持处于正常操作位置。还通过在机械臂的致动器中的定子和转子之间提供足够的摩擦来提供非反向驱动能力。在Scara机器人中,基座的固定部分固定到地板,而移动端则由轴承元件支撑。(The invention discloses a kind of mechanical arm and the methods for controlling mechanical arm.In one example, manual product is located on mechanical arm and the translation and/or rotation provided to actuator controls, and the actuator for example can consistently rotate.In another example, the manual product on mechanical arm is additionally arranged at end effector, and the manual control product can for example control the actuator in mechanical arm in a manner of rotating actuator unanimously together or on the contrary.In another example, the manual product on the mechanical arm between actuator controls upstream and downstream actuator with different control strategies.In principal and subordinate robot example, actuator in main robot controls the actuator from robot, and when actuator can be arranged at a certain angle and be arranged in unpowered keeps being in normal operating position.Also non-return driving capability is provided by providing enough frictions between the stator and rotor in the actuator of mechanical arm.In Scara robot, the fixed part of pedestal is fixed to floor, and mobile terminal is then supported by bearing element.)

机械臂

技术领域

机械臂

背景技术

从美国专利号7836788(Kamon)和美国专利号9126332(L′Ecuyer)了解到具有通过具有彼此成一定角度的旋转轴的致动器连接的多个连接件的机械臂。

发明内容

本发明公开了新型机械臂以及控制机械臂的方法。在一个示例中，手控制件位于机械臂上并且提供对致动器的平移和/或旋转控制，该致动器可例如一致地旋转。在另一个示例中，机械臂上的手控制件还设置在端部执行器处，该手控制件可例如以使致动器一起或相反地一致旋转的方式控制机械臂中的致动器。在另一个示例中，位于致动器之间的机械臂上的手控制件以不同控制策略控制上游和下游致动器。在主从机器人示例中，主机器人中的致动器控制从机器人中的致动器，并且致动器可以一定角度设置并且被布置成在无动力时保持处于正常操作位置。还通过在机械臂的致动器中的定子和转子之间提供足够的摩擦来提供非反向驱动能力。在Scara机器人中，基座的固定部分固定到地板，而移动端则由轴承元件支撑。

附图说明

现在将参考附图以举例的方式描述实施方案，其中类似的附图标记表示类似的元件。

图1示出了示例性机械臂；

图2示出了用于图1的机械臂的控制图；

图3示出了与图1的机械臂一起使用的示例性Scara基座；

图4A和图4B示出了形成用于图1的机械臂的关节的致动器的叠堆；

图5和图6示出了可用于图1的机械臂中的示例性致动器；

图7示出了可用于图1的机械臂中的手控制件和臂控制件的细节；

图8A和图8B示出了可用于图1的机械臂中的Scara配置；

图9A和图9B示出了可如何在图1的机械臂的变型中使用手动致动器；

图10A和图10B示出了在图1的机械臂中使用的第一示例性楔形件设计；

图11A和图11B示出了在图1的机械臂中使用的第二示例性楔形件设计；

图12示出了机械臂的主从配置，其中可使用如图1所示的机械臂；

图13示出了楔形件中的致动器之间的角度；并且

图14示出了使用滑动表面来产生摩擦以防止致动器的反向驱动的致动器。

具体实施方式

在不脱离权利要求所涵盖的内容的情况下，可以对这里描述的实施方案进行非实质性修改。在权利要求书中，词语“包括”以其包含性含义使用，并且不排除存在其他元素。权利要求特征之前的不定冠词“一”和“一个”不排除存在多于一个特征。这里描述的各个特征中的每一个可以在一个或多个实施方案中使用，并且由于仅在这里描述，将不被解释为对由权利要求限定的所有实施方案是必不可少的。在权利要求中，对权利要求x至y的引用意指权利要求x至y中的任一项，其中x和y是正整数，且x＜y。

定义

机械臂包括由致动器连接的多个连接件并且在端部(诸如，端部执行器和基座)之间延伸。机械臂上的元件的上游意指比该元件更靠近基座。机械臂上的元件的下游意指比该元件更靠近端部执行器。

连接件是在致动器之间或者在致动器和机械臂的端部之间延伸的机械臂的一部分。机械臂可与控制机械臂的操作但不承担载荷的操作员协同工作。所有载荷可均由机械臂承担。机械臂可包括腕关节，该腕关节可以是最靠近端部执行器的关节。机械臂可包括肩关节，该肩关节可以是能够提供机械臂的提升的第一关节，其与机械臂的基座最靠近。肘关节可以是肩关节和腕关节之间的关节。前臂或连接件可以是腕关节和肘关节之间或腕关节和肩关节之间的机械臂的一部分。前臂可以是机械臂的最靠近腕关节的部分。

致动器可由电机(诸如，轴向磁通电机)形成。致动器可以是中空的。致动器可各自具有与机械臂的相邻连接件集成或直接附接到该相邻连接件的定子和转子。

机械臂的连接件可以是中空的并且可具有任何合适的形状。在至少一个连接件通过至少一个致动器连接的情况下，致动器的定子和转子中的一者可连接到第一连接件，定子或转子中的另一者可连接到第二连接件。直连接件是在具有平行或共线轴的致动器之间延伸的连接件。内联连接件是在同轴致动器之间延伸的连接件。

机械臂的端部可包括端部执行器。端部执行器包括但不限于具有用于抓持对象的三个指状物的端部执行器。

机械臂的另一端包括基座或其他参考点。基座可固定到对象的表面。对象可以是固定对象或移动对象，包括但不限于墙壁、屋顶、地板或其他结构元件，或轮式车辆。

机械臂可由人类操作者通过控制装置(诸如手控制件)来操作。手控制件是可以由人的手操作以产生与机械臂的移动对应的控制信号的装置。手控制件是成形为供人手抓持的对象，包括但不限于球状物、盘状物、柄状物、杆状物、基座或可供人手抓持的其他形状的对象。手控制件可具有多个自由度并且可包括x-y-z平移以及围绕x-y-z轴的旋转。在存在x-y-z平移的情况下，x-y可限定水平平面，而z轴是竖直的。x轴可与相对于操作者的前后移动对应，而y轴则可与相对于操作者的左右移动对应。手控制件上的抬起可与沿竖直轴的移动对应。围绕x-y-z轴的旋转可与围绕穿过手控制件的中心的虚拟x-y-z轴的旋转对应。手控制件可包括附加控制件，诸如旋转元件，该旋转元件环绕手控制件的基座并且提供附加的旋转信号。手控制件可被设置为分开且由不同的手操作的双控制件。例如，双控制件中形成手控制件的一者可提供对应于平移的信号，而另一者则可提供对应于旋转的信号。可在手控制件上设置附加控件，诸如按钮和杠杆，以提供附加功能。手控制件和附加控制件可设置在附接到机械臂的控制台上。手控制件可包括由美国马萨诸塞州波士顿的3DConnexion制造的3D鼠标，但也可使用其他手控制件。由于这种手控制件在虚拟对象的3D操纵领域中是已知的，本文不提供这种手控制件的细节。

首字母缩略词SCARA或Scara意指选择顺应性装配机械臂或选择顺应性关节式机械臂。Scara在Z轴上是刚性的，并且在XY轴上是柔韧的。凭借其平行轴关节布局，Scara在X-Y方向上具有一定顺应性，但在“Z”方向上是刚性的，因而得出术语：选择顺应性。

机械臂的端部可包括基座或端部执行器。楔形件被定义为机械臂的一部分，其终止于具有旋转致动器的相对端处，其中旋转致动器具有不共线的旋转轴。在一些实施方案中，旋转致动器的旋转轴不是共面的。在一些实施方案中，旋转轴是共面的，并且从0度偏移到90度。在一些实施方案中，偏移可以是1度至10度、或1度至5度、或1度至2度。每个楔形件在楔形件端部之间延伸，并且由楔形件的每个端部上的相应致动器的定子或转子界定。每个致动器具有旋转轴，并且在每个楔形件的端部处的致动器的轴彼此成一定角度，该角度限定楔形件的楔角。致动器的叠堆可形成关节。每个关节可独立于其他关节操作，或者可以一致地操作。

机器人控制系统可包括：一个或多个控制器，诸如可接受控制输入并提供控制输出的计算装置；以及一个或多个驱动器。控制系统从手控制件接收控制信号。在一些实施方案中，例如在来自手控制件和致动器或由单个驱动器驱动的一组致动器的控制信号之间存在一对一对应关系的情况下，控制器仅需要路由信号和条件信号，使得可由驱动器读取该信号和条件信号并向串联控制的执行器提供比例信号。串联致动器的比例可存储在查找表中，以便迅速响应。控制器可包括具有存储器、人机界面和显示器的通用或专用处理器。

在由测力传感器提供反馈的一些实施方案中，可提供一些更复杂的功能，例如用于使用比较器来确定力是否超过阈值并且对所有致动器生成停止命令。在安全机构处于适当位置的其他实施方案中，控制器还可感测超出阈值的移动，并使致动器停止或减慢。在操作机械臂时，应考虑安全守则。例如，在某些类型的机器人仅可在机器人覆盖范围内没有人的情况下操作的管辖权情况下，可能无法在机械臂上使用手控制件，并且将需要主-从控制或远程控制，这可能为操作员提供触觉反馈。

驱动器为用于对应致动器的任何合适驱动器。驱动器是电机领域中所熟知的。

参见图1，其中示出了机械臂10的简化视图。机械臂包括具有固定基座B1的Scara单元12，以及通过肩关节S1固定到Scara单元12的移动端B3的臂14。每个关节S1、E1和W1包括多个楔形件18。楔形件18各自包括机械臂的一部分，并且终止于致动器48的由楔形件18之间的线表示的部分中的每个端部处。每个致动器48包括：一个楔形件18上的一部分(转子或定子)和相邻楔形件上的另一部分(转子或定子)、或机械臂的其他部分。

在该示例中，臂14包括肘部E1、第一腕部W1(并且在位置21处还可存在第二腕部)、以及端部执行器16。手控制件20可位于腕部W1的上游但位于位置21的下游，并且因此位于第二腕部的下游(如果存在的话)。臂控制件22还可与手控制件20一起定位。手控制件20和臂控制件22可由操作者同时使用以控制机械臂。当手控制件20位于致动器之间时，手控制件20和基座B1之间的致动器可被称为上游致动器，并且手控制件20和端部执行器16之间的致动器可被称为下游致动器。在一个示例中，上游致动器可全部通过手控制件20或臂控制件22操作来控制以改变上游致动器的旋转速度(速度控制)，并且下游致动器可全部通过手控制件或臂控制件操作以角度到角度控制的方式来控制。Scara臂12可被一个或多个线性致动器或可伸缩式臂替代。如果使用线性致动器，则可遵循图5或图6中所示的设计，不同之处在于，该装置是线性的而非旋转的。

在速度控制中，手控制件20或臂控制件22的操作程度使对应的致动器以与该操作程度成比例的速度旋转。在角度控制中，手控制件20或臂控制件22的操作程度使对应的致动器移动通过与手控制件的操作程度成比例的角度。手控制件20或臂控制件22的操作可包括手控制件20的位移、施加到手控制件22的力、或手控制件20的旋转。手控制件20的操作与由手控制件20控制的致动器的旋转的速度或角度之间的比例关系可由用户使用控制器24上的控件来设定。可使用存储在控制器24中的查找表，以确定比例移动。

参见图2，其中示出了用于图1的机械臂的控制图。在实施过程中，可将手控制件20安装在机械臂上(例如，腕部之间)，并且产生与施加到手控制件的移动或力对应的控制信号。例如，沿x、y或z轴的平移可产生平移控制信号Tx、Ty和Tz，并且手控制件围绕x、y或z轴的旋转可产生旋转控制信号Rx、Ry和Rz。在一些应用中，如果仅需要平移，则仅使用平移信号。相应地，在仅需要旋转的情况下，仅使用旋转信号。控制信号沿由通向控制器24的线26表示的常规通信信道来提供。通信信道可以是有线的、光学的、无线的或任何其他合适的通信信道，并且可以完全地物理定位在机械臂的中空内部。附加的转盘、按钮、杠杆或其他控制元件(诸如围绕手控制件的基座的环)可用于提供辅助信号，该辅助信号可用于产生辅助控制信号以发送到控制器24。可能存在附加的这种控制元件，其具有对应的附加辅助控制信号。例如，臂控制件22还可通过枢轴或万向节固定到腕部之间的机械臂。臂控制件22可在万向节处围绕x轴和y轴枢转。操作者的臂可搁置在臂控制件22上，同时操作者还握住手控制件20。操作者肘部的向上或向下移动可使臂控制件围绕y轴枢转，而操作者肘部的横向移动可使臂控制件围绕x轴枢转。可包括另外的辅助控制件，诸如例如用于将控制信号发送到端部执行器16以打开或关闭的装置。

控制器24调节信号并将信号路由到驱动器28、被标记的驱动器1到N、以及控制信号和驱动器之间可能存在一对一对应关系的任何其他驱动器。在一些情况下，控制信号和驱动器之间可能存在多对一对应关系，但控制器对该多个控制信号进行整合(使其相减或相加)以向每个驱动器产生单个控制信号。

用于控制器24的输入端可以是操作者抓持的多轴输入装置。以下描述了一个实施方案，其中输入装置具有6个轴，三个平移轴(x，y，z)和三个旋转轴(滚动、俯仰、偏航)。在该实施方案中，输入装置可为手控制件20，诸如6轴操纵杆。其他实施方案可具有不同数量的轴(例如，三个平移轴和一个旋转轴)。输入装置诸如多轴操纵杆是人们所熟知的，并且可商购获得。输入装置可安装在机器人自身上。在该实施方案中，安装位置靠近端部执行器，但在腕部W1的上游或后面。

当操作者使输入装置偏转时，输入装置上游的机器人关节以协调的方式激活，以使端部执行器以一定速率移动。速率的特征在于量值(速度)和移动方向。由致动器产生的速度与输入装置从其零位置开始的偏转的量值成比例地增大。由致动器产生的速率的方向(或多或少)与输入装置相对于输入装置的安装件偏转的方向对应。

当用户使输入装置旋转时，输入装置下游的机器人关节可以协调的方式激活，以使端部执行器取向成使得端部执行器的取向与输入装置的取向具有直接的一对一或成比例的角度关系。也就是说，当处于1对1模式下时，柄部1度的角度变化将导致围绕端部执行器的平行轴的1度旋转。如果处于由操作者选择的成比例模式下，则端部执行器将旋转更大角度或更小角度，但将在柄部停止旋转时停止旋转。

由于输入装置20的基座随机器人移动而移动(因为该基座附接到机器人)，而操作者站在地面上，输入装置的偏转和旋转将随机器人移动而动态地变化。由于机器人的平移在输入装置的偏转的方向上，除非操作者在该方向上进一步移动输入装置，否则机器人的运动将倾向于使输入装置的偏转减小。这实际上创建了一个反馈回路，这将使机器人在操作者期望的任何方向上移动，并在输入装置返回到其零位置时使机器人停止移动。

机器人的运动与输入装置的偏转和旋转有关，如上文段落中所描述的。为了实现这种关系，控制系统将输入装置信号转换为使致动器48移动的电流。

控制系统包括控制器24。控制器24具有来自输入装置20的输入。这些输入可以是模拟输入或数字输入，这取决于输入装置。控制器24具有读入致动器48的位置和/或速率的输入34。在所示的实施方案中，这些输入来自伺服驱动器28。在另选的实施方案中(未示出)，输入可直接来自安装在机器人上或致动器48上的关节传感器。

控制器24具有内部逻辑。基于来自致动器位置34的输入，内部逻辑确定机器人关节在该时刻所处的角度。内部逻辑然后基于输入装置的偏转和旋转以及关节的角度来确定期望的致动器位置和速率。本文所述的内部逻辑的实施方案可实现输入装置输入(例如，引起致动器的相等和相反运动的输入)到机器人运动的简单转换。该实施方案提供了端部执行器在几乎(但不完全)与输入装置的偏转方向相同的方向上的运动。在另选的实施方案中，内部逻辑可包括基于机器人的反向运动学的算法，在这种情况下，端部执行器的运动可更精确地沿循输入装置的偏转。控制器的内部逻辑是人们所熟知的。例如，US6140787提供了内部逻辑的一种具体实施。

控制器24具有输出36，针对每个致动器48均具有一个输出。输出是指示每个致动器48的期望位置和速率的信号。

伺服驱动器是人们所熟知的，并且可从许多供应商处购得(例如，Elmo Gold伺服产品系列，其可从Elmo购得)。控制系统包括多个伺服驱动器28，针对每个致动器48均具有一个伺服驱动器：

每个伺服驱动器具有来自控制器的输入36，该输入设定致动器48的期望速率和位置。每个伺服驱动器具有来自致动器的输入37，该输入指示实际致动器位置。

每个伺服驱动器具有输出24，该输出将实际关节位置和速率传送到控制器34。一般来讲，当机器人运动时，关节的实际位置和速率将不与期望的位置和速率相同。

每个伺服驱动器28具有伺服控制电路，该伺服控制电路使用众所周知的PID(位置-积分-导数)回路来产生电流38以驱动致动器。在另选的实施方案中，伺服驱动器28可包括实现其他类型的伺服控制算法的逻辑和软件。伺服驱动器的设计和具体实施是人们所熟知的，并且许多另选的实施方案可用于实现该部件。

在另选的实施方案(未示出)中，控制器24被划分为几种更简单的控制器，其各自提供上文中描述的功能的子集，例如，一个控制器用于SCARA，且另一个控制器用于楔形件致动器。在另一个实施方案(未示出)中，驱动器28的功能被结合到控制器自身中，并且控制器的输出可直接激活致动器48。在另一个实施方案(未示出)中，致动器可以是步进马达，在这种情况下，可消除致动器提供给伺服驱动器的反馈。另选控制系统的架构和设计在本领域中是熟知的，并且存在用于实现控制系统的许多方式。

如果致动器48是旋转致动器，则它们可全部在相同的方向上旋转，或者该致动器是交替致动器，该交替致动器可相反地旋转，使得关节中的楔形件叠堆中的第一致动器可顺时针旋转，然后第二致动器可逆时针旋转，然后第三致动器可顺时针旋转，依此类推。就其旋转平面相对于相邻楔形件的角度而言，一致地移动的四个或更多个致动器的任何阵列中的第一楔形件(机械臂的一部分，其位于彼此成一定角度的两个致动器之间)和最后一个楔形件的角度，优选是其余楔形件的角度的一半，以防止机械臂10移动到平面外。当一对楔形件反向旋转时，可能需要三个致动器移动以防止机械臂10的非期望旋转。

就速度控制或角度控制中的任一者而言，可以与控制信号的量值成比例地驱动致动器48。可连接驱动器1至4，以通过速度控制驱动Scara 12中的致动器A1至A4。如图3所示，在Scara 12中，致动器A1位于结构接触元件或基座B1的上方，该结构接触元件或基座为诸如衬垫，其经由任何合适的装置连接到对象的表面，例如结构(诸如地板、墙壁或天花板)、或地面、或任何类型的车辆。致动器A1使第一连接件L1围绕竖直轴旋转。在第一连接件L1的与致动器A1相对的端部处，致动器A2连接到围绕致动器A2的竖直轴旋转的第二连接件L2。第一连接件L1也可通过衬垫或基座元件B2由对象的表面支撑。同样地，第二连接件L2通过致动器A3连接到第三连接件L3，并且第三连接件L3相对于第二连接件L2围绕致动器A3的竖直轴旋转。在Scara臂中，可存在两个或更多个连接件L1等。在这种情况下，存在三个连接件，第三连接件L3通过致动器A4连接到肩部S1。肩部S1可相对于第三连接件L3围绕致动器A4的竖直轴旋转。第三连接件L3也可由基座B3支撑在对象的表面上。

基座B1可固定到对象(例如，地板)的表面上。基座B2和B3可包括轴承元件，例如由低摩擦表面形成的轴承元件，该低摩擦表面可以是滑动表面或滚动元件(例如，滚子轴承)的表面。致动器A1、A2、A3等的轴是平行的，这使连接件L1、L2、L3在垂直于这些轴的平面中移动并且使轴承元件沿表面移动。根据致动器A1、A2、A3等的运动，Scara 12的端部可平移或以弧形旋转。对于平移，致动器A1、A2、A3等交替地相反地旋转。基座B2、B3有助于支撑机器人。一般来讲，连接件L1形成基座连接件，并且连接件L3或一系列连接件中的一者形成端部连接件。基座连接件和端部连接件之间的连接件形成中间连接件。相邻连接件由具有平行轴的致动器连接。致动器的运动使连接件在远离基座延伸的平面中移动。轴承元件可位于第一连接件、端部连接件或中间连接件中的一者上。

驱动器28可驱动致动器A1至A3或致动器A1至A4一致地旋转，其中，致动器A1和致动器A3以一种方式(例如顺时针)旋转，致动器A2或者致动器A2和致动器A4以另一种方式或逆时针旋转。如果致动器A1至A4是步进马达，则动力命令可包括在给定时间段内针对每个步进马达的设定数量的步骤通电。这使致动器A1至A4以相同的速度旋转。如果期望步进马达的速度不同，使得它们在给定时间段内旋转不同的量，则每个致动器可具有不同的尺寸或具有不同的步数，使得用于旋转特定步数的给定命令导致不同的旋转角度。只要手控制件通过控制器24向驱动器28提供控制信号，则致动器A1至A4旋转。对于电动致动器，相对于操作者移动手控制件20所花费的时间而言，致动器达到由手控制件20的位置设定的速度的时间通常非常短，使得速度响应基本上是瞬时的。操作者可能未注意到加速度。

手控制件20可设置有弹簧(未示出，但在3D控制器中常见)，该弹簧使手控制件返回到中性位置(不会输出控制信号)。当手控制件20返回到中性位置时，所有致动器均停止。手控制件20的示例可由大致竖直的管形成，该大致竖直的管在竖直管的中心处相对于球旋转和平移，其中，在包括平移轴的所有轴上具有弹簧。

当手控制器20干移或在y方向上提供力时，驱动器28可向致动器A1至A4提供不同组的速度控制动力命令，使得致动器A1至A4更顺时针地或者更逆时针地旋转，使得Scara12的端部处的致动器A4倾向于相对于从Scara 12的基座B1沿着Scara 12向外看的视点向右或向左移动。对于肩部S1、肘部E1和腕部W1或腕部W2中的每一者，可存在任意数量的致动器，例如，存在四至十个致动器，但可存在更多的致动器。

当手控制件20平移或在z方向(竖直)上施加力时，手控制件通过控制器24向驱动器28生成z平移控制信号，该驱动器将驱动信号发送到肩关节S1或肘关节E1(如果存在的话)以及腕关节W1。肩关节S1或肘关节E1(如果存在的话)以及腕关节W1中的每一者均具有一个致动器或一组致动器，该一个致动器或一组致动器的作用是引起围绕水平轴的旋转，并因此使z平面中的机械臂A的端部执行器端部16抬起或降低。肩关节S1或肘关节E1可包括具有水平轴的单个致动器，或可由多个致动器形成。

在肩关节S1包括多个致动器的情况下，致动器可彼此成一定角度。该角度可以是例如非零且小于四十五度(45°)的角度。关节S！中的致动器48之间的每个连接件因此成为具有短边和长边的楔形件关节。当致动器旋转使得所有短边均在同一侧上时，机械臂10在短边的方向上凹入弯曲。通过使所有致动器48一致地旋转高达180°(其中交替致动器48在相反的方向上旋转)，肩关节S1经过其中所有致动器48已旋转90°并且关节竖直的点，到达其中所有致动器48已旋转高达180°的点。这种旋转的效果是，根据手控制件的移动的程度或在z方向上向手控制件施加的力，使机械臂10的执行器端部16相对于肩关节S1中的第一致动器(或Scara 12中的致动器A4)升高或降低。一致地移动的四个或更多个致动器的任何阵列中的第一楔形件和最后一个楔形件的角度可以是其余楔形件的角度的一半，以防止臂移动到平面外。

例如，图4A和图4B中示出了机械臂的具有基板40并且在这种情况下由十个楔形件42形成的部分(楔形件机器人)。为了使机械臂保持在平面内，需要底部楔形件44和顶部楔形件46的角度是其他楔形件的角度的一半。在所示的示例中，使用十个楔形件，每个中间楔形件是10°。第一楔形件和最后一个楔形件是5°。可如图图10A、图10B、图11A和图11B中所示的那样形成每个楔形件42、44和46。

如果顶部楔形件和底部楔形件不是半角，则机械臂10会歪斜。下表示出了用于机械臂的示例性操作的每个楔形件的旋转方向和旋转角度。

楔形件/马达	方向	旋转角度(度)
			基座(半角)	逆时针	90
2	顺时针	180
			3	逆时针	180
4	顺时针	180
			5	逆时针	180
6	顺时针	180
			7	逆时针	180
8	顺时针	180
			9	逆时针	180
10	顺时针	180
			臂	逆时针	90

在图4A中，楔形件42的薄端均对齐，使得楔形件叠堆在一个方向上最大程度地弯曲。第一楔形件和最后一个楔形件具有是中间楔形件的楔角的一半的楔角。如果所有楔形件42均旋转180度，其中交替楔形件相反地旋转，则楔形件叠堆经过图4B中所示的中间位置(在该位置中，所有楔形件42已成对相反地旋转90度(例如，每个奇数楔形件顺时针旋转，并且例如，每个偶数楔形件逆时针旋转)，并且叠堆是竖直的)，到达其中所有楔形件42已旋转180度的位置(在该位置中，楔形件的薄端取向成与图4B中所示的位置相对，使得叠堆在相反的方向上最大程度地弯曲)。

如果关节中的每个致动器均处于低角度，例如相对于相邻致动器成一度角，则当致动器旋转180°时，致动器使机械臂仅稍微抬起，从而提供机械增益。致动器越多，角度就越低，机械增益也就越大。当机械臂位于由对齐的最短边(0°点)和对齐的最长边(180°点)限定的平面中时，这种增益效果最佳。机械臂与该平面的偏差越大，机械增益的损失就越大。可以在机械臂中的例如在两侧上的致动器组、肘部E1或腕部中任一者的旁边设置附加的手可调节楔形件关节120、122，以允许操作者手动定位如图9A和图9B所示的机械臂，而不使用处于低效角度下的电动致动器。

可以通过驱动器28以与肩部S1类似的方式控制肘部E1，其中，肘部E1中的所有致动器48一致地旋转高达180°，以响应于来自控制器24的动力命令来实现抬起动作。肘部E1中的致动器48可以在旋转方向上交替。旋转角度控制抬起或降低的量。一致地移动的四个或更多个致动器的任何阵列中的第一楔形件和最后一个楔形件的角度必须是其余楔形件的角度的一半，以防止机械臂移动到平面外。

可以与肩部S1类似的方式控制腕部W1，其中，所有致动器48一致地旋转高达180°，以响应于来自控制器24的动力命令来实现抬起动作。肘部28中的致动器48可以在旋转方向上交替。旋转角度控制抬起或降低的量。腕部W1中可存在任意数量的致动器。在一个实施方案中，手控制件20位于腕部W1和第二腕关节之间。

对于围绕x轴、y轴或z轴的旋转控制，可使用角度对角度控制。在角度对角度控制中，手控制件20的旋转产生旋转控制信号，该旋转控制信号与由手控制件20旋转的角度成比例。对于轴x、y和z中的每一者，该信号被提供给控制器24，该控制器为驱动器28路由并调节控制信号。驱动器28中的一者可响应手控制件20的x轴旋转(像在锁中转动钥匙一样扭动手)，并且向腕部W1的端部上的水平轴致动器发送动力命令，这导致在腕部W1的端部处并因此在端部执行器16处围绕机械臂的水平轴的角度对角度旋转。控制器24可响应y轴控制信号(摩托车节气门运动)，以将角度对角度驱动信号发送到腕部W1的致动器48，从而实现腕部W1围绕水平侧到侧轴的有效旋转。该运动还倾向于抬起并抬高端部执行器16。该y轴角度旋转命令可使腕部W1中的每个第二致动器在相同方向上旋转，但使每个其他致动器48在相反方向上旋转相同的量。具有相同量的旋转使致动器48和有效载荷保持在平面上，并减小致动器上的扭矩。

如果操作者使用手控制件20并且通过这样做来使手控制件20处的机械臂10保持竖直，则来自腕部W1处的手控制件的第一下游致动器可用于使端部执行器围绕竖直轴旋转。

对于端部执行器围绕x轴的旋转，可由相应的驱动器28驱动水平取向的致动器48旋转特定角度。对于围绕z轴的旋转，可驱动竖直取向的致动器48旋转约特定角度。对于围绕y轴的旋转，可使腕部W1的多个致动器48一致地旋转最高达180°。

为了提高灵巧性和抬起能力，肩部S1可围绕水平轴移动，如图1所示(在该图中，水平对应于穿过致动器叠堆的中心的线，该线垂直于页面延伸)。也就是说，S1中的致动器可顺时针和逆时针交替地一致旋转180°，以使臂围绕水平轴有效旋转，并因此使机械臂抬起。一致地移动的四个或更多个致动器的任何阵列中的第一楔形件和最后一个楔形件的角度必须是其余楔形件的角度的一半，以防止机械臂移动到平面外。为了提高灵巧性和抬起能力，肘部E1可围绕水平轴移动，如图1所示(在该图中，水平对应于穿过致动器叠堆的中心的线，该线垂直于页面延伸)。也就是说，肘部E1中的致动器可顺时针和逆时针交替地一致旋转180°，以使臂围绕水平轴有效旋转，并因此使机械臂抬起。手控制件处的机械臂可始终保持竖直，以降低操作复杂性。腕部W1可与肘部E1和肩部S1成比例地移动，使得腕部W1处的致动器48的轴将保持接近竖直。

用户前臂附件22可用于控制前臂32围绕竖直z轴和水平y(摩托车节气门)轴的角度。这可以是角度位移＝角速度响应，其中前臂支架22的侧向角度(围绕竖直轴)将使肩部竖直轴在一个方向上旋转(并且优选地，一个或多个其他Scara轴在相反的方向上旋转)，使得非Scara臂围绕用户旋转以实现接近有效载荷的不同角度(围绕垂直轴)。

用户-前臂支架22围绕节气门轴的旋转可使肘部E1和肩部S1围绕水平轴旋转，但使其在相反的方向上旋转，使得机器人前臂(肘部E1和腕部W1之间的臂)可由操作者控制为更竖直或更水平。这样，机器人前臂的角度将沿循操作者前臂的角度。腕部W1角度将如上所述的那样发挥其使腕部的顶部保持在竖直轴姿态下的作用。

一种控制堆叠的致动器的方法如下，其中机械臂中的致动器通过楔形件分开，例如针对肩部S1、肘部E1和腕部W1所示的。连续致动器的相应轴可相对于彼此偏移几度，例如1°至10°、10°至20°、或20°至30°。因此，楔形件转动类似量的角度。致动器成对地操作。这些对可包括连续的致动器，或者它们可分开。可将致动器的初始位置作为零位置，其中楔形件的所有最短边对齐，如图4A所示。从零位置开始测量旋转角度。180°的旋转与致动器中任一者的半旋转对应。如果所有致动器均旋转180°，则所有致动器将与在180°处对齐的楔形件的最短边对齐。当致动器旋转接近0°或180°(例如，被称为初始旋转的0°至20°，或被称为最终旋转的160°或180°)时，致动器具有最大的机械增益。

为了实现抬起移动，关节中的所有致动器初始可为0°，例如，如图4A所示。在该过程中，所有对均随这对致动器在相反方向上旋转而移动。所有致动器可以通过初始旋转旋转到位置I，其中任何一对致动器均相反地旋转，使得机械臂大致保持在平面上。然后，致动器旋转，一次一对或几对地从位置I旋转到位置F，该位置F与最终旋转开始的位置对应。在一次一对或几对从I到F的旋转期间，其余致动器旋转回零度或接近零度。其余执行器然后成对地旋转回位置I。这个过程(一对或多对致动器从I旋转到F，而尚未从I旋转到F的其余致动器变为零度或接近零度，然后其余对旋转回位置I)可重复，直到所有致动器均处于位置F，然后所有致动器可成对地从位置F旋转到180度或接近180度。

图5示出了特别适合在Scara配置中使用的配置中的示例性轴向磁通致动器52，其中致动器52具有垂直于臂54和56的轴。在一些实施方案中，臂54和56可为机械臂的任何臂。在具有致动器的关节的实施方案中，其中致动器具有垂直于机械臂的旋转轴，可使用彼此同轴的一个或多个致动器52。根据该实施方案，致动器52可用于所公开的Scara关节、肩关节、肘关节或腕关节中的任一者。具体地，在机械臂的操作模式中，该操作模式使得手控制件操作以便于以不同于下游致动器的方式来控制上游致动器，例如当利用手控制件的位置对致动器的速率控制来控制上游致动器，且利用手控制件的位置对致动器的角度控制来控制下游致动器时，被控制的致动器可具有图5的配置。

图5示出了轴向磁通致动器62的示例性设计的更多细节，该设计可用于机械臂中的任何致动器，包括轴向磁通致动器52。在图6B中，两个臂构件或连接件64和66通过轴向磁通马达62连接。臂构件或连接件64、66可以是机械臂10的楔形件或其他部分中任一者的一部分或者可以是Scara12中的连接件的一部分。致动器62可具有定子72，该定子例如用螺栓和/或粘合剂和/或热配合或者通过与臂一体形成来附接到连接件或臂66。转子74例如用螺栓和/或粘合剂和/或热配合或者通过与臂一体形成来附接到连接件或臂64。外轴承76和内轴承78允许定子72和转子74的相对旋转并提供定子72和转子74的精确的相对轴向位置，以保持定子柱80和转子柱之间的期望间隙，该转子柱固持磁体82并为由磁体82提供的磁场提供磁通路径。转子74可具有磁通限制孔84。在气隙的内径之内使用内轴承78并且在气隙的外径之外使用外轴承76使定子72和转子74之间的吸引力分布在两个轴承之间以延长使用寿命和/或减轻轴承重量。内径轴承78和外径轴承76的使用还减小定子72和转子74上的机械应力，从而允许更薄的横截面和更轻的重量，例如能够利用装置的实施方案的高极数来实现。

由转子74中的永磁体磁通引起的定子72和转子74之间的轴向磁吸引力在轴承76、78上提供轴向预载荷。通过分析和实验已经表明，对于高强度磁体，诸如但不限于钕N52磁体，该轴向力足以保持预加载在定子72和转子74中的轴承76、78，并且足以提供足够的轴向力以允许连接件64、66在所有方向上支撑有用载荷。该载荷可以是臂重量和加速力以及任何方向上的有效载荷的组合。使用磁力以提供轴承安置力和在轴承上的轴向预载荷允许使用可通过定子和转子的磁吸引力来预加载以在轴向方向上消除轴承间隙的推力载荷和/或角接触轴承。通过使用径向和轴向定位的轴承的组合，能够在径向和轴向方向上用磁力预加载轴承，并且能够不需要用于防止座圈在磁力的相反方向上的移动的对轴承座圈88的附加机械保持。这种预加载可消除轴承间隙并增大轴承刚度，使得组件在其移动中变得非常精确。这对于精密应用诸如机器人技术是有利的。它还具有减少可能由转子的径向位移引起的不一致齿槽效应的优点。当装置具有大量的非常小的齿槽台阶时，诸如对于本装置的实施方案，这一点尤其重要。

致动器62中的绕组90可以具有任何合适的设计。可使用多个定子柱80和转子极(磁体)82来提供期望数量的齿槽台阶。例如，如果存在96个定子柱80以及92个转子极82，则可提供2000个以上的齿槽台阶(是96和92的最小公倍数)。另外，希望在轴承76、78上均匀地分布载荷，并且这可通过具有四个或更多个峰值磁吸引区域来实现，例如通过使用96个定子柱2410和92个转子极2310来实现。峰值磁吸引区域的数量是96和92的最大公约数，即，在这种情况下，峰值磁吸引区域的数量为4。

图6中示出了轴向预加载的座圈的非限制性示例，其中不需要将座圈88机械保持在轴承76、78上，其中内滚子轴承78(在该非限制性示例中，为交叉滚子轴承)夹置在两个轴承沟槽之间，使得定子72和转子74之间的轴向磁吸引力消除轴承78中的轴向和径向间隙。在该非限制性示例性实施方案中，轴承78是具有轴向和径向定位刚度的交叉滚子轴承。因此，由转子74中的磁体82提供的转子和定子的轴向预加载得到定子72和转子74在轴向和径向方向上的精确相对位置。在不需要在定子和转子之间的磁吸引力的相反轴向方向上进行机械或粘合的轴承座圈保持的情况下实现这种精确定位。可使用反转轴承90来防止转子74和定子72在承受载荷时非期望地分开。反转轴承90固定到定子和转子中的一者并且与另一者的一部分重叠，并且这种重叠可形成轴承，例如，其中在移动部件之间的接触部处使用衬套。

控制运动的示例：

相对于图1、图2和图7描述了这些移动。图7示出了图2的臂控制件22的示例的细节。操作者的臂92搁置在弯曲臂支架94中。臂支架94附接到在万向节98处附接到腕部W1和腕部W2之间的机械臂的杠杆96。臂92的移动以及因此臂92的肘部向上或向下的移动引起关于万向节98围绕水平轴(摩托车节气门)的旋转，并且臂92的侧向(相对于用户向左或向右)的移动引起杠杆97相对于万向节98围绕竖直x轴的旋转。还会发生杠杆97相对于杠杆96围绕枢轴或万向节99的补偿旋转。将控制信号从万向节98发送到图1的控制器24，以驱动对应的致动器。例如，使臂92向右移动，致动器A4逆时针(cc)旋转，致动器A1顺时针旋转(cw)旋转。在移动期间手控制件20不需要移动，因为该操作可通过操作者的腕部的移动来补偿。因此，如果操作者使臂92左右移动，则这引起围绕万向节98的顺时针移动，致动器A4在角度到速度控制下逆时针移动，其中致动器A1顺时针移动，致动器A2逆时针移动，并且致动器A3顺时针移动，按如控制器24中的查找表提供的比例进行。致动器移动，使得手控制件20不移动。总体效果是，机械臂沿循臂92正在进行的动作。因此，肘部臂向右移动会使Scara向右旋转，并将机械臂的前臂向右拉动。为了进行这种运动，控制器24需要进行一些计算。控制器24需要知道致动器A4相对于来自Scara的基座B1的半径的角度，并且同样需要所有臂的知识，并且角度信息可由编码器或通过存储步进马达控制信号来提供。最终结果是，手输入与上臂平面始终大致对齐。人肘部92的上下移动使水平轴上的前臂万向节99旋转，肘部E1延伸，W1和E1之间的前臂水平或倾斜，肩部S1延伸，Scara回缩，肘部E1下降，并且执行器A1-A2-A3-A4旋转使得Scara回缩。

如果控制件(诸如图7的前臂控制件)中的一者提供用于通过控制器24驱动致动器的信号，该信号也由另一控制件诸如手控制件20提供，则控制器24对控制信号进行求和。当单个控制件诸如手控制件20向相同的致动器提供两个不同的控制信号时，这同样适用。因此，手控制件20的侧向平移(正常y轴控制)可引发不同的命令，例如x轴控制。因此，例如，如果手以45°角向前移动，则这可能引起相等的x、y轴移动。控制输入相加或相减，并且因来自手控制件20和前臂的反应输入而不需要非常精确。

如图8A所示，Scara基座112可通过真空吸力或任何合适的紧固件布置固定到表面，并且可包括通过致动器A101、A102、A103和A104连接的连接件L101、L102和L103。可如图1所示设计机械臂110，并且肩部S1的基座可取向成与竖直方向成一定角度，例如向后倾斜(在图中向右倾斜)10度至30度。第一连接件L101可包括用于将Scara基座112固定到对象表面的基座B101以及用于在表面上滚动或滑动的轴承元件106。轴承元件106可包括低摩擦表面或滚动元件，诸如滚珠轴承。

本文档中公开的所有致动器可以是具有图5或图6中所示的中空设计的轴向磁通马达，但也可以使用例如2017年2月16日公布的WIPO公布WO2017024409中所公开的其他致动器。用于发送电力和控制信号、或冷却流体(如果存在的话)的线和其他部件可穿过中空致动器。每个轴向磁通马达均包括定子和转子。在马达或致动器的任何具体实施中，定子和转子的顺序是不相关的。在致动器的设计中，对柱高度、柱数量和极密度的选择可遵循2017年2月16日公布的WIPO公布WO2017024409中的描述。可存在多个短柱和多个极。极和柱的数量可基于预期应用的尺寸和扭矩要求来确定。

图8A和图8B示出了Scara的两个实施方案。在图8A中，Scara的每个连接件L102、L103搁置在先前的连接件上方，使得连接件在致动器的轴向方向上堆叠。在图8B中，第一连接件L1和第三连接件L3位于Scara的第二连接件L2之下。可使用各种Scara设计。

由控制器24从手控制件20接收的信号可以是平移控制信号或旋转控制信号。在手控制件20上游进行的控制均可以是位置到速度控制。可通过角度控制来控制所有下游致动器。可与端部执行器16的旋转一致地控制上游致动器。x-y位移可引起远离选定点的径向向外移动。如果存在肩部S1、肘部E1和腕部W1，则手控制件20的竖直位移引起肘部速度旋转以使手控制件20沿半径向外以弧形移动，并且肩部S1的旋转使上臂(肩部S1和肘部E1之间)向上移动。可对移动进行缩放，使得手控制件的竖直位移(例如，1mm)可使肘部向上且径向向外移动10％。使用手控制件20和控制系统允许操作者进行反应性移动以补偿机械臂的移动。发生这种情况是因为，手控制件20在臂平移时抵抗这种移动，使得操作者在手控制件20上往回拉动。操作者可始终都在调整臂的移动，直到最终移动到手控制件在臂上的位置。

控制器24可由一个或多个控制器组成。为了方便起见，示出了单个装置。引起给定量的速度或旋转角度的步骤数量可变化。例如，如果存在肘部E1，则手控制件20的竖直位移增大肘部角度。然后，手控制件20在由肘部E1处的臂的移动产生的弧形上向前移动，从而产生朝向基座的相对位移，并且Scara和肩部S1回缩以引起手控制件20的大致竖直运动。又如，如果存在肩部S1并且不存在经致动的肘部E1，则手控制件20的竖直平移引起用于肩部S1的旋转速度命令，并且水平平移不会使肩部旋转。可提供另外的控制，用于阻尼、加速率和减速率、速度控制以及安全停止。独立控制件(诸如，手控制件下方的转盘)可提供用于控制致动器A4或以其他方式使肩部S1旋转的信号。

腕部处的竖直轴致动器可独立于腕部中的其他致动器操作。该致动器可与通过致动器A4进行的肩部旋转一起工作，或者可以延迟开始并且成比例，这两种情况均可以是用户设定的。端部执行器16可与机械臂在平面内操作，并且具体地，与腕部W1和肘部E1在平面内操作。根据有效载荷的量，可能存在一些平面外弯曲。可使用对应驱动器处的电流传感器，或者可使用端部执行器16和腕部W1之间的多维载荷传感器。将来自电流传感器或载荷传感器的反馈与基于当从平面加载时致动器的已知能量消耗的阈值或标准进行比较，并且端部执行器16离开平面的时间长度可能受到限制。载荷越高，给定时间内允许的平面外角度就越小。对于平面外载荷的较短时间，可允许更高的平面外载荷。

致动器A4还可在角度对角度模式下操作。如果存在经致动的腕部E1，则肩部S1可围绕与Scara轴成比例的竖直轴旋转，以适应最后一个Scara连接件的旋转。当Scara被致动时，肩部S1可大致沿半径平移。致动器A1至A5中的前五个致动器全部都可以一起旋转。然而，如果不存在肘部，则可独立于Scara致动器致动肩部S1。当肩部S1的致动器旋转时，这改变端部执行器16的z高度。如果存在肩部S1、肘部E1和腕部W1和/或W2，则竖直位移引起肘部速度旋转以使手控制件20沿半径向外以弧形移动，并且肩部S1旋转使上臂向上移动。这使手控制件20向上和/或向前位移，并且操作者的自然动作用于抵抗由手控制件20上的弹簧提供的阻力，使得操作者在手控制件上往回拉动。

如图9A和图9B所示，在致动器堆叠在机械臂10的肩部、肘部或腕部处之前和之后，可存在手动致动的关节120、122。在成比例旋转中，叠堆中的后续致动器匹配第一致动器的预先确定角度，例如，三个Scara致动器和一个肩部致动器可匹配第一Scara致动器的旋转角度。为了控制角度，致动器(例如，前四个致动器)中的每一者均具有不同的尺寸、不同的极数或不同的步数。无论第一致动器A1需要每秒多少步，均将相同的步数按顺序发送到其他致动器A2至A5。然后，致动器A2至A5的不同尺寸或极数将实现不同量的旋转或旋转速度。相反，使用不同的步数，需要不同的马达控制器。操作者可与手控制件20一起向前行走，并调整臂延伸的程度。

可存在以下操作控制层。

层C1是：Scara致动器A1至A4的成比例角旋转。层C2a是：操作者可调整Scara臂端部处的运动的非线性度，使得如果机器人滞后，则操作者会更大程度地推动。层C2b是：速度响应根据第一致动器(例如，Scara中的致动器A1)的角度而变化。随着机械臂延伸，手控制件20的相同位移引起致动器的更大旋转速度。反馈回路是人操作的，并且是可学***移。位移距离仅控制基座执行器A1或四个Scara竖直轴执行器中任一者的速度。该层的操作可使用控制器24中的查找表来调节用于驱动器的信号。例如，对于完全延伸的Scara，致动器A1可旋转20°，致动器A2可旋转负30°，致动器A3可旋转40°，并且致动器A4被编程为可旋转高达某个度数，该度数取决于向左或向右推动手控制件20的量。该过程可使用预编程的比例，其中比例值存储在控制器24中的查找表中。对于层C1至C3，手控制件可以是远程的。

在层C4中，针对竖直运动，操作者将手控制件20笔直向上抬起，腕部E1通过使用相反地旋转的多个楔形件致动器或者通过使用具有水平轴的致动器来延伸。当肘部E1延伸时，自然地向后拉动手控制件，这使Scara臂略微回缩。手控制件20可刚性地固定到机械臂，或者可通过弹簧附接。控制器24可能需要知道手控制件相对于机械臂所处的角度，以例如通过使用传感器来识别哪些竖直运动是可能的。在层C5中，通过围绕手控制件20自身的轴的角位移或旋转来控制腕部W1。手控制件20的移动(例如，在没有弹簧的情况下)可引起端部执行器16的成比例角位移。端部执行器16可竖直指向外部，如果手控制件20向左旋转，则使用例如形成致动器(最靠近形成腕部W1的致动器的叠堆的端部执行器的致动器)的步进马达使端部执行器以相同的速度向左移动相同的量。手控制件20的角度移动可与腕部W1的角度移动成比例，并且可调整使得手控制件20的N度旋转与端部执行器16的KN移动程度对应。K是可在运行中预设或调整的因子。K可存储在控制器24中。

层C6是覆盖。由于手控制件或前臂控制件的方向、角度旋转或速度突然改变，或者有效载荷位移、角度旋转或速度突然改变，可能会发生覆盖。如果出现覆盖条件，则控制器可发送中断以阻止来自驱动器的所有信号到达致动器。此外，如果在操作中松开手控制件，则系统可能会中断。如果载荷的振动水平太高，则可通过端部执行器16上的载荷传感器来检测这种振动，并且所有致动器停止，直到振动低于预设水平。

在层C7中，可通过操作者按钮预设或设定手控制件20旋转与腕部旋转的比例。例如，手控制件旋转45°，腕部旋转例如22.5°，并且执行器A4同样旋转22.5°。控制器24可进行一些计算，以便于使A1、A2和A3旋转以避免在腕部处的平移，这可通过标准的反向运动学来完成。

肩部S1可以是水平轴致动器或旋转楔形件的叠堆，并且与所公开的叠堆中的每一者一样地操作。肩部S1引起机械臂的竖直运动。在肩部S1的结束位置处，当肩部处于90°位置时，需要堆叠中的致动器的更多旋转步骤来实现给定竖直运动。在初始位置处，肩部S1完全回缩，所有致动器处于180°，其中，每个楔形件的薄端向后指向Scara 12的基座。当所有致动器均处于零度(0°)时，所有薄边缘均在相反方向上，完全延伸。在90°下，肩部S1半延伸。只要每个致动器在相反的方向上旋转相等的量，臂就永远不会离开平面。对于由致动器轴相对于相邻致动器的角度而产生的力倍增布置，致动器可以是薄的，例如十六毫米(16mm)。如果致动器以不同方式旋转，则臂会脱离轴。这对于灵巧性是有益的，但失去了关节中楔形件的机械增益。

在层C9中，腕部W1与第二腕部一起设置。这允许通过仅使竖直轴致动器旋转来使端部执行器16旋转。腕部W1可用于将第二腕部的楔形件保持在平面内以避免过度的功率消耗。为了使致动器保持竖直，可能需要基于每个致动器针对给定位置旋转的步数来进行计算机计算。该计算足以使致动器保持竖直。可提供另外的一组前臂致动器来固定机械臂。与图9A和图9B所示的那些致动器类似的可固定致动器120、122可在轴承上旋转，该轴承被设定为具有制动器并且被锁定在优选位置。手动致动器可以是用户可调整的，并且可用于例如使机械臂旋转偏离轴，使得腕部保持在轴上。手动致动器可用于机械臂中的任何位置处。在图9A和图9B中，手动致动器120、122位于腕部W1的上部部分或肩部S1的最靠近Scara的底部处。还可在端部执行器16之前，在腕部W2处设置手动致动器。端部执行器还可由快速脱离托架代替，该快速脱离托架可位于托架和腕部W2之间的一系列固定关节的端部处。

在一些实施方案中，肘部E1和肩部S1可与任何关节一起操作，而不仅仅与楔形件一起操作。

如果希望将由W1形成的腕部阵列保持在平面内，则为了实现最大抬起，左右扭转手控制件20使肩部(其在操作者后面)在旋转角度对成比例旋转角度模式下旋转。这保持了肩部、肘部和腕部的理想平面内对齐。可任选但优选地命令上游Scara关节反向旋转，使得来自手控制件的附加输入最小化。任选地，由于有一定能力与关节一起离开平面，当手控制件围绕竖直轴旋转并且肩部一致地旋转时，腕部可稍微向侧面弯曲。在一些应用中，可提供伺服模式。

可在端部执行器16处设置测力传感器。当操作者即将移动有效载荷时，操作者可停止所有运动并使测力传感器归零。如果传感器感测到端部执行器与身体的接触，则控制器24可被配置为改变平移量与致动器速度的关系的灵敏度。例如，如果在初始状态下，1mm对应于X速度，则该灵敏度可改变为5mm对X速度。这种灵敏度的修改可应用于所有驱动器和致动器，并且如果传感器感测到接触超过给定限制，则可关闭所有驱动器和致动器。

可在腕部和肩部的上方和下方使用图9A和图9B中的固定楔形件120、122。此类楔形件的优点是降低功率消耗，特别是在高有效载荷的情况下。针对增大的有效载荷，可调整楔形件，使得主要在肩部、腕部或肘部的旋转限制附近进行高载荷的重复操作，其中，致动器在接近0°或180°处以提供最大的机械增益。手动楔形件120、122还可用于改变任何关节的底部致动器和顶部致动器的侧向角度，这有助于提高灵活性并增大机械臂与操作者之间的间隙。可存在多个转盘或手动操作的楔形件，这些组件中的每一者独立地围绕肩部S1的竖直轴旋转。肩关节手动操作楔形件中一者的手动操作可与Scara 12的旋转相反。

操作者围绕x轴的腕部运动(其与围绕前臂的轴的扭转对应)可使腕部阵列W2中的最后一个致动器旋转。载荷传感器可在最后一个致动器之前或之后。用于腕部W2的致动器的角度对角度操作可限于操作者的运动极限，其中在给定的移动范围内，机器人操作模式变化。如果操作者处于其中在任何轴上均具有90°极限的空间中，例如，其中对象靠近操作者，则控制器24可被配置为使得当腕部已经旋转给定量(例如80°)时，手控制件20的进一步角度变化会引起致动器中的速度响应。其中发生控制模式变化的区域可由操作者设定，例如从10°到20°的区域。在松开操作模式中，操作者可移动手控制件以使端部执行器16在一个方向上移动，然后如果操作者释放手控制件，则可向控制器提供来自手控制件的指示手的释放的信号，然后控制器发送信号以减慢所有致动器。

图10A和图10B中示出了可用于关节S1、E1、W1或W2中任一者的楔形件关节的示例性设计。楔形件越多，楔角就越小，并且机械增益也就越大。机械增益由10个致动器旋转180°产生，其中所得输出仅为90°或45°。各个致动器上的扭矩可保持为相对较低。例如，如果机器人正抬起150磅，则每个致动器上的扭矩可以是被动冷却功率的一半。

一般来讲，操作者可施加控制整个机器人的移动的平移力或旋转力。旋转力或移动控制或主要控制腕部。上下、左右的平移力可控制致动器从Scara基座到腕部的移动。致动器可非常快速地起作用。手控制件的灵敏度可由操作者设定。在安全模式中，运动控制器24可具有已编程的指令，该指令为：在端部执行器16处或手控制件位置处的机械臂接收到反向运动命令的任何时刻处，机器人将在零速度位置处暂时停止(暂停)。这可防止瞬时反向。可控制止动件处的暂停时间长度。当存在反向运动时，运动控制器24可停止所有运动，或者停止在当前移动方向上的运动，或停止在相反方向上的移动。作为对设定暂停的替代，控制器24可停止所有运动，直到操作者将手控制件移回到中性位置，在该中性位置中，手控制件不向控制器产生任何命令的位置。

如果手控制件中存在弹簧，该弹簧在平移和旋转方向上将手控制件偏置到中性位置，则操作者可从力中辨别出中性位置所在之处。操作者还可在手控制件中存在弹簧时释放手控制件，使得手控制件自动移动到中性位置。在另一个故障安全操作模式中，如果机械臂上的传感器检测到过大的力、速度变化或方向的快速变化，则控制器24可被配置为停止所有致动器。在操作中，操作者获得移动控制臂的技能以学会避免意外移动。如果操作者加速臂和有效载荷，并且减速以使得端部执行器16反转方向，则控制器24可被配置为发送命令以停止所有运动并且操作者必须放开手控制件。当手控制件经由弹簧返回到中性位置并且机器人已停止移动或已达到足够低水平的摆动时，指示灯或听觉信号允许操作者握住手控制件。通常，当接近特定位置例如中性位置时，控制器24和操作者应减慢移动以避免过冲。

控制线和电源线可穿过机械臂的中间。为了冷却，空气可被抽吸通过臂的中空中心，并且可通过基座释放到大气中。空气可用加压空气系统进行吹扫或者通过位于机器人上任何位置处的真空抽吸。为了简单起见，可通过真空将基座固定到表面，其中泵位于Scara的顶部。由于机械提升臂可能与Scara成90°，因此Scara需要在扭转时相对僵硬。Scara上可存在任意数量的臂。机械提升臂的基部可远离结构(图8A)成角度，这允许不同于水平情况下的运动范围。

致动器控制件可为伺服反馈控制件或闭环，或具有开环控制件的步进马达。闭环需要具有编码器的反馈，该编码器更昂贵和复杂，但使控制更精确、效率更高侧向运动由Scara臂致动器A1-A4控制，其通常大于肩部S1、肘部E1或腕部W1致动器。较大的致动器允许更高的步数，因此比96个柱和92个极的组合更多。步进马达步进不一定是离散的，但可使用传统步进马达中已知的微步进。分步电流控制可与手控制件的移动成比例。

系统可进行质量和惯性补偿，以使操作者感觉到载荷的重量或惯性。系统将操作者的运动缩放到载荷。手控制件上的弹簧力(如果存在的话)可通过对控制器24的触觉反馈而改变。如果有效载荷被连接到某一点，则控制器24可感测接触并将信号发送至手控制件。如果手控制件位于腕部处或附近，则预期操作者将体验到有效载荷的机械振动。例如，操作者将其前臂搁置在图7的臂支架上的机器人上可能是有益的。臂支架可刚性地固定到机械臂上，或者通过或不通过弹簧和阻尼器可旋转地固定。因此，操作者仅需要控制腕部而不需要控制臂。前臂支架可被构造成允许臂容易地从支架移除，为了安全和舒适，例如使用向上开放的弯曲或杯状支架94。在端部执行器16处或附近可存在振动传感器，该振动传感器将反馈发送至手控制件或向耳塞发出听觉信号，这可用于嘈杂环境中。虽然重要的是避免对周围环境的损坏(例如通过自动停止功能)，但是该激发预防策略仅可在超过一定速度时应用。

致动器组中的任一个的基部致动器可具有竖直取向，或平行于被作用的主力。对于围绕y轴的旋转，在简化的控制操作模式下，腕部W2中的楔形阵列可从手控制件的下游的竖直轴开始。第一致动器30可以是响应于围绕手控制件的y轴的旋转的唯一致动器。在这种情况下，腕部W2的致动器叠堆保持在平面中并旋转，每个第二致动器在一个方向上旋转，除致动器30之外的每个第一致动器反向旋转，这导致围绕y轴的近旋转，同时端部执行器16抬起，这导致需要改变肘部E1或肩部S1。操作者通过向前移动并稍微改变高度来自然地做到这一点，这样做调整了肩部和肘部。关于y轴的控制方式可由操作者选择，例如通过(1)仅基座致动器A1旋转(例如，当操作者以圆柱形描绘)；(2)基座致动器A1在一个方向上旋转，肩部的基座致动器A4在相反的方向上旋转；或(3)基座致动器A1在一个方向上旋转，并且肩部致动器A4在相同的方向上旋转。这些控制可为速度控制，其中每个致动器相对于前述致动器具有预设响应，使得所有致动器在主从关系中彼此成比例地旋转。该比例可使用简单算法来进行编程，或者控制器24可被设定为基于机械臂的位置来修改该比例。

例如，利用手控制件的垂直提升：肘部E1延伸，腕部W1与肘部成比例地旋转，使得竖直致动器保持竖直，由于Scara移动，所以用户自然地以肩部S1移动的方式移动手控制件(反应平移手控制件)，这改变了肘部E1的角度。腕部W1具有理想的旋转以保持致动器的竖直轴竖直。致动器不必是完全竖直的，因此在一些情况下，可能不需要移动肩部S1。如果肩部S1水平轴致动器堆叠或等效水平轴致动器不存在，则肘部E1和腕部W1可能是必要的，这取决于应用。在一些实施方案中，肩部S1的竖直提升功能可以不是必需的。

端部执行器16的夹持功能和松开功能可通过手控制件上的触发器来控制，例如使用驱动器28。如果关节的旋转楔形件在端部执行器16不完全一致旋转的情况下引入非预期的侧向运动，则旋转楔形件关节中可能需要闭环反馈。另一个实施方案可使用一个或多个楔形件组，该一个或多个楔形件组可为闭环，其可独立地用于非常精细的移动。当使用步进马达控制时，可从楔形件阵列或叠堆中添加或减去两个或三个楔形件的单个组，使得所需的运动越精细，则将被激活的组就越多。

在一个实施方案中，手控制件角度的变化导致腕部的端部的角度成比例变化。如果在某个方向上超过预先确定的手控制件角度(不同方向可具有对应于人工操作者的角运动范围的限制的不同限制)，则腕部的端部可从角位移模式改变为超过预先确定的极限的角速度模式。手控制件可与腕部W1的端部以相同的速度和角度旋转，因此当速度旋转命令结束并且操作者将手控制件返回到中性位置时，手控制件将在机器人腕部的中性位置上对准。

如果使用三组楔形件，则该阵列将能够在任何时刻处在任何方向上旋转。中性位置将与每组相互成120°。然后，可旋转一个或多个致动器组，以使整个组件在任何方向上弯曲。如果楔形件的角度大于所需的组件运动范围所需的角度，则楔形件可在小于180°的旋转下使用。楔形件可被控制为在楔形件之间具有硬止动件或可能装有弹簧的止动件以用于各种效果，例如，在利用有效载荷支撑平面外运动时，利用弹簧力来减小致动器扭矩。

在致动器中的任一个中，一定程度的摩擦对于步进马达控制可能是有利的，因为它可防止致动器从一个步骤跳到另一个步骤。在没有摩擦的情况下，只有惯性用于防止致动器从一个分立步骤跳到下一个分立步骤。在一定量的非粘滑摩擦(例如，其与预装载的滚子轴承或Teflon^TM-on-Teflon^TM滑动接触相同)的情况下，需要一定量的电流来克服这种摩擦。致动器的实施方案使用磁预装载轴承，其可为致动器提供必要的非粘摩擦，从而提供从一个步骤到另一个步骤的更平滑的过渡。

在图6所示的另一个实施方案中，滚珠轴承76和78可在例如但不限于气隙中与定子72和转子74之间的低摩擦表面组合结合使用。例如，Teflon^TMon Teflon^TM具有非常低的粘滑摩擦力，并且可通过要求来自致动器的高水平扭矩来克服这种摩擦，来允许在步进模式下平稳地操作致动器。诸如Teflon^TM的材料具有独特的特性，该独特特性允许通过可移动结构上的力的变化来实现微移动，该可移动结构可旋转地或以其他方式可移动地附接到固定构件。

在具有肘关节E1和肩关节S1的机械臂中，两个关节均可响应于手控制件20的竖直平移。在更简单的操作模式中，仅肘部E1响应于竖直平移。肩部S1也可响应于竖直平移，但其为次要效应或反应效应，其中由前臂围绕肘轴的弧运动引起的竖直运动的水平分量使手控制件托架径向地远离操作者，并且由于操作者径向地抵抗手控制件的移动，手控制件相对于臂发生水平(和径向)位移。手控制件的这种相对水平运动具有预设响应。

换句话讲，手控制件的竖直位移仅导致肘部E1的延伸。肘部E1的延伸可导致连接到机械臂的手控制件(手控制件基座)的水平运动。当手控制件基座与机械臂水平移动时，其导致手控制件相对于手控制件基座发生位移。这种次要效应可向不同组致动器发送回缩例如Scara和/或肩部S1的回缩命令。

或者换句话讲，肘部关节E1可通过延伸直到其校正误差来响应手控制件的竖直位移。即，肘部E1的延伸起到使手控制件在竖直方向上恢复至零位移的作用。机械臂在手基部(相对于操作者)的水平运动在水平方向上产生次要误差，这导致向一个或多个致动器发出回缩命令，所述一个或多个致动器根据预先确定的关系进行响应以校正水平误差。其他三级、四级等误差可导致其他方向，但随着所有可能的平移平面联接到一个或多个致动关节，各组致动器将一致但彼此独立地移动以接近手控制件的轨迹。应当理解，在该示例中，在水平误差记录在手控制件20处和控制器24中之前，臂将在非期望的方向上初始移位，但据信操作者将学会补偿这种不完美的运动路径，并且甚至可能学会预测它以防止其发生。

致动器的齿槽台阶不一定与由电磁体的换向引起的动力台阶相同。

图10A示出了楔形件叠堆中的示例性楔形件142的叠堆，此处具有三个致动器和四个楔形件142。每个致动器包括定子144和转子146，其中每个定子和转子均可根据本专利文献中公开的设计制造，轴向磁通内部马达优选地利用磁力使用预加载的轴承148(仅示出座圈，未示出滚珠轴承)与致动器的外周或内周上的锁定或安全环150保持在一起。图10B示出了图10A的细节，在图10A中具有定子144，示出了线圈和具有磁体的转子146。

图11A示出了通过安全环150将由定子144和转子146组合形成的致动器和两个相邻楔形件142保持在一起的截面。因此，在每个相对面上组合的定子和转子将成一角度，该角度对应于楔形件的角度。每个相对面限定了定子转子的组合旋转时所在的平面。转子146具有将磁体保持在转子中的柱和一体护铁。定子144具有围绕柱的线圈和一体护铁。

图11B为两个楔形件壳体143的分解图，示出了由定子144和转子146形成的致动器145，以及安全环150。每个壳体143可为一体元件。楔形件壳体143的角度可见于图11A和图11B。

参考图12，其示出了包括从机械臂162和主机械臂164的机器人系统160。从机械臂162包括致动器，这些致动器至少包括在第一平面内旋转的第一致动器168、在第二平面内旋转的第二致动器170、以及在第三平面内旋转的第三致动器172。每个平面均垂直于图中的平面，并且图中表示每个致动器的线位于对应于致动器的平面内。如图13所示，就致动器168和170而言，第一平面与第二平面成介于0度和90度之间的第一角度A1。同样，第二平面与第三平面成介于0度和90度之间的角度A2。

主机械臂164包括致动器，这些致动器至少包括在第四平面内旋转的第四致动器174、在第五平面内旋转的第五致动器176、以及在第六平面内旋转的第六致动器178。每个平面均垂直于图中的平面，并且图中表示每个致动器的线位于对应于致动器的平面内。如图13所示，就致动器168和170而言，第四平面与第五平面成介于0度和90度之间的第三角度A3，并且第五平面与第六平面成介于0度和90度之间的第四角度A4。

每个致动器可根据本文所述的致动器或如美国公布的专利申请US20170338705或如US20170187254中所述进行制造，这两者均在法律允许的情况下以引用方式并入本文。

致动器168、致动器170和致动器172中的每一者均由相应的定子和转子对组成，并且每个定子和转子对被设置成在该定子和转子之间具有足够的摩擦，使得在正常操作载荷下，并且在未通电的情况下，定子和转子不相对于彼此移动。每个定子和转子对之间的摩擦可例如通过加载的轴承或滑动的衬套表面来提供，例如通过安全环121和转子201之间的摩擦来提供。主机械臂的定子和转子之间的摩擦无需如此限制。

机器人控制器166响应于致动器174、致动器176和致动器178中的一者的定位来控制致动器174、致动器176和致动器178中的至少一者的位置。将机器人控制器166连接到从机械臂162和主机械臂164的线描绘了单向或双向通信信道，这些单向或双向通信信道可以是包括无线的、光学的和有线的任何常规通信信道。致动器可包括编码器(未示出)，这些编码器向机器人控制器提供指示致动器的位置的信号。机器人控制器包括存储器、微处理器、用于致动器的驱动器和用于编码器的接口，以及用户界面。这些元件在机器人控制器中是常规的，并且未单独描述。

在一种操作模式中，机器人控制器166响应于致动器176的定位。在该操作模式中，致动器176不由机器人控制器166驱动，而是响应于例如通过操作者(其可以是外科医生)在机械人臂164的端部操纵端部执行器182而使机械人臂164发生的移动。端部执行器182可包括外科器械。当端部执行器182移动时，致动器174、1764和178开始相对于彼此移动。在该示例中，机器人控制器166响应于第二致动器176的定位以驱动致动器174和178。另外，机器人控制器166以对应的方式驱动致动器168、170和172。在一种操作模式中，对应的方式是利用端部执行器182的移动实现端部执行器180的移动的缩放。因此，例如，如果端部执行器182被移动通过给定的量，则端部执行器180可被驱动给定量的一小部分。因此，操作者可在端部执行器182处使用粗糙移动以在端部执行器180处引起更精细的移动。该缩放效果可使控制系统中的非线性趋于平滑。

可通过将主机器人臂的致动器的平面之间的角度选择为从机器人臂的致动器的平面的角度的一小部分来提供缩放功能。因此，A3可等于R1×A1，其中R1为介于0和1之间的分数，并且A4可等于R2×A2，其中R2为介于0和1之间的分数。对于某些自然数N1，例如N1＝10，R1可等于1/N1，并且对于某些自然数N2，例如N2＝10，R2可等于1/N2。在一个示例中，A1＝A2，A3＝A4并且N1＝N2。在另一个示例中，A1＝A2＝30度并且A3＝A4＝3度，这实现了10∶1缩放从机械臂162与主机械臂164。

每个致动器可包括中空轴向通量致动器，并且来自机器人控制器166的驱动信号可被提供给致动器168、170和172。

机器人控制器可被配置为交替地相对驱动致动器。

致动器相对于相邻致动器的角度可被称为楔形角。致动器之间的臂有效地形成楔形件。致动器可具有低至1度或更低的楔形角。每个从致动器中的轴承摩擦可被设定为使得从致动器在楔形件的任何位置中在承载方向上不可反向驱动。摩擦应为不粘滑动摩擦。具有平稳电流分布的致动器中的电磁体的换向允许抵抗摩擦的力平稳上升。

致动器中的摩擦可(例如)由轴承上的轴向磁力引起的滚珠轴承摩擦产生。为此，可使用通过磁力在轴向和径向方向上预加载的径向刚性滚子轴承。摩擦也可通过用于外轴承的滑动接触件或衬套产生，或者可以是定子和转子柱之间的滑动接触，或者实施方案可在转子和定子上具有Teflon^TM层或类似涂层，例如可存在碳涂层，或抵靠光滑表面轴承的其他光滑表面。具有比动摩擦低的静摩擦的材料诸如Teflon^TM可用于转子与定子的光滑表面接触。转子和定子之间的接触材料的另一种可能性是是旋节青铜，但是它不太适合医疗用途，因为它是红色的。相对的表面涂覆有从青铜涂层中迁移出来的镍。图14中示出了具有滑动接触轴承表面的致动器的示例。载体190和192(其中一个是定子而另一个是转子)具有分别彼此相对安装的电磁元件194和196，用于相对于定子电磁驱动转子。该组电磁元件194和196中的至少一者被电换向。绘图未按比例绘制。在实施过程中，气隙198可以非常小。附图是仅穿过中空环形轴向通量电机的一侧的截面。如此处所讨论的滑动轴承表面200、202、204和206可彼此接触并且为从机械臂162中的致动器提供摩擦。

在测定轴承摩擦时，设计人员计算最大有效负载，并且设计致动器，使得摩擦系数和轴向预载产生比最大有效负载产生的扭矩更高的阻力。通过使用旋转楔形件构型可降低摩擦要求。因此，例如，1度角的楔形件需要非常低的摩擦力，以确保失去动力时的刚性。楔形件的角度可与致动器上的摩擦系数和轴向力匹配。

虽然图12中示出了具有搁置在支撑件186(例如桌子)上的肩部184的设计，但是也可存在如本文所公开的机器人臂的其他实施方案中所示的肘部或腕部。

楔形件组可具有两个以上楔形件，并因此具有三个以上致动器。堆叠中的楔形件相对地旋转，使得如果一对中的第一楔形件顺时针旋转，则该对中的第二楔形件逆时针旋转。如果主机械臂164具有N个楔形件，则每个奇数楔形件可顺时针旋转，并且每个偶数楔形件可逆时针旋转。偶数楔形件相对于彼此可旋转相同的量，并且奇数楔形件可相对于彼此旋转相同的量。量是指角度。在主机械臂中，仅需要驱动一个致动器，主机械臂中的其他致动器可从属于该一个致动器。操作者仅移动端部执行器，并且不需要知道哪个执行器不是从属的。还可为操作者提供开关以禁用一个或多个致动器并仅移动特定的致动器。例如，操作者可禁用致动器174和176，并仅旋转致动器178。然后，可使用来自致动器178的信号来驱动对应的致动器172。在这种情况下，如果致动器168和174平行于支撑件186，并且该支撑件是水平的，则该运动与围绕每个整体机械臂的竖直轴的旋转对应。楔形件叠堆中的致动器可全部一致地旋转。

当所有致动器均与楔形件的与载荷在同一平面中的最薄部分(上死点处的楔形件，该上死点与零或180度的旋转位置(即，两个不同的位置)对应)对齐时，可阻止致动器168至178的运动。因此，可以通过物理止动件或软件止动件来防止致动器168至178静止在上死点处，例如使其静止在与上死点成约5度的位置处。致动器叠堆(例如，致动器168至178)中的致动器以及对应的楔形件可旋转高达约180度，但其可被限制为行进约160度或170度，例如从上死点行进约5度到从上死点行进约175度。利用受限制的角运动，可通过机械臂的中空内部从一个致动器到另一个致动器提供用于承载动力和驱动命令的线以及传感器或编码信号。

力传感器或测力传感器(未示出)可设置在主机械臂164的端部执行器处以检测有效载荷力，并将信号发送回机器人控制器166。机器人控制器166可被配置为感测力传感器信号并驱动致动器174至178向操作者提供受控的反馈或触觉力。测力传感器向机器人控制器发送信号，该机器人控制器确定需要对哪些从致动器进行通电以重现有效载荷力。

根据该系统，操作者进行的X度的角运动可与X/R度的角运动对应，其中R可以是自然数，例如10，其中从致动器的楔角是主致动器上的楔角的10倍。另一种可能性是，将步进马达用作致动器，其中从机械臂处的10步等于主机械臂处的一步。然而，角度变化对角度变化控制是期望的。从臂关节可具有与主关节相同的运动范围和轴。因此，从机械臂162中的致动器可旋转与主机械臂164中的致动器相同的度数。缩放效果由不同的楔角提供。

在一个示例中，从机械臂162可具有处于30度角下的两个楔形件，其中主机械臂164上的三个致动器和10个楔形件处于3度下。设计者可选择要驱动的楔形件的数量。因此，操作者握住端部执行器，臂延伸，编码器检测角度并将其发送到机器人控制器166。

在一系列的三个致动器中，第一致动器和第三致动器可旋转第二致动器旋转的角度的一半，但旋转方向与其相反。来自第二致动器的旋转命令可在第二主致动器上引起相同的角度旋转。

如果臂中的致动器被串联布线，则为了使端部致动器仅转动半圈，可使用用于端部致动器的单独的马达控制器，或者可通过端部致动器处的装置来调节驱动信号。

如果使用三组楔形件，则该阵列将能够在任何时刻处在任何方向上旋转。中性位置将与每组相互成120度。然后，可旋转一个或多个致动器组，以使整个组件在任何方向上弯曲。

如果楔形件的角度大于期望组件运动范围所需的角度，则可在小于180度的旋转下使用这些楔形件。它们可允许在楔形件之间使用硬止动件或可能装有弹簧的止动件以用于各种效果，例如，在利用有效载荷支撑平面外运动时，利用弹簧力来减小致动器扭矩。

一定程度的摩擦对于步进马达控制可能是有利的，因为它可防止致动器从一个步骤跳到另一个步骤。在没有摩擦的情况下，只有惯性用于防止致动器从一个分立步骤跳到下一个分立步骤。在一定量的非粘滑摩擦(例如，其与预装载的滚子轴承或滑动接触(诸如Teflon^TM-on-Teflon^TM滑动接触)相同)的情况下，需要一定量的电流来克服这种摩擦。致动器的实施方案使用磁预装载轴承，其为致动器提供必要的非粘摩擦，从而提供从一个步骤到另一个步骤的更平滑的过渡。

在另一个实施方案中，滚珠轴承可在例如但不限于气隙中与定子和转子之间的低摩擦表面组合结合使用。例如，Teflon on Teflon具有非常低的粘滑摩擦力，并且可通过要求来自致动器的高水平扭矩来克服这种摩擦，来允许在步进模式下平稳地操作致动器。材料特氟隆具有独特的特性，该独特特性允许通过可移动结构上的力的变化来实现微移动，该可移动结构可旋转地或以其他方式可移动地附接到固定构件。所有致动器可暂时停止，这通过改变对致动器的方向命令来实现，而不是通过改变方向来使机器人停止。

在本专利文献中公开的任何致动器和楔形件叠堆中，在给定的一组机械臂移动中，第一移动阶段可涉及第一组楔形件的旋转，并且第二移动阶段可涉及第一组楔形件中的一些或全部楔形件的旋转。楔形件可以是在第一移动阶段和第二移动阶段中均是活动的反向旋转对。在具体示例中，第二移动阶段可涉及较少数量的致动器和楔形件，诸如涉及一对楔形件。例如，如果第一移动阶段涉及6、8、10或12个楔形件的旋转，则第二移动阶段可涉及相对于彼此反向旋转的一对楔形件。由于每个致动器的参与均可能导致机械臂移动的精确度的损失，因此该方法可允许在第二移动阶段中提高精确度。一般来讲，任何移动阶段之后还可以具有附加的移动阶段，其中，每个移动阶段涉及不同数量的致动器，每个移动阶段具有对应的更低或更高的精确度。移动阶段可与机械臂朝向对象的特定移动对应，并且随后的移动阶段可与随后的移动(例如，抓持或定位对象)对应。移动阶段可与时间段对应，其中，不同的移动阶段发生在指定的时间段期间。楔形件的相反移动可具有相等的角度量或速度或者不同的角度量或速度。

手控制件控制旋转致动器的相同原理可应用于线性致动器。例如，可感测手控制件的旋转角度以驱动手控制件下游的任何线性致动器的成比例位移。例如，可感测手控制件的位移以驱动手控制件上游的任何线性致动器的成比例速度。

在一些实施方案中，可使用任何数量的楔形件，例如奇数数量的楔形件是可行的，特别是如果在顶部和底部处存在成半角的楔形件的情况下。例如，底部处具有5度的楔形件，中间具有10度的楔形件，顶部处具有5度的楔形件，以提高机械增益并提供可控运动。任何其他数量的楔形件也将是可行的。

在权利要求中，对权利要求1至N的引用意指对权利要求1至N中任一项的引用，其中N是正自然数。